[發(fā)明專利]一種七自由度空間機械臂自主避障規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810319231.7
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108638055B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 肖帥;劉蕊;劉忠漢;饒衛(wèi)東;梁靜靜;寧宇;黎飛
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 武瑩

一種七自由度空間機械臂自主避障規(guī)劃方法，首先在任務空間對七自由度空間機械臂的末端進行路徑規(guī)劃，得到末端的運動路徑點數(shù)據(jù)，然后依次選取末端的運動路徑點數(shù)據(jù)，固定任一冗余關節(jié)角度進行逆運動學計算，得到當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的其它關節(jié)的角度，最后對得到的當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的所有關節(jié)的角度進行碰撞檢測，通過對固定的關節(jié)角度進行自適應調整，得到所有末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的七自由度空間機械臂的自主避障規(guī)劃。

技術領域

本發(fā)明涉及一種七自由度空間機械臂自主避障規(guī)劃方法。

背景技術

空間機械臂在執(zhí)行空間操作的過程中，如何保證其安全性是空間機械臂技術發(fā)展面臨的一個重要問題。當空間機械臂進行空間操作時，由于空間機械臂、以及目標物的附近通常安裝有其他產品，因此運動過程中需要考慮與障礙物之間的碰撞問題。然而，由于天地傳輸大延時的存在，通過地面監(jiān)控無法實現(xiàn)對空間機械臂的實時保護，這就要求空間機械臂具備在軌自主避障的能力。在軌自主避障技術是確保空間機械臂系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵問題，也是提高空間機械臂自主能力和智能水平的重要問題。

目前的空間機械臂路徑規(guī)劃方法主要包括兩大類：自由空間法和人工勢場法。自由空間法將障礙物映射到C空間，形成C空間障礙，那么C空間的補集就對應自由空間，然后在自由空間中搜索一條無碰路徑進行運動。人工勢場法對障礙物定義一個排斥勢場，對目標定義一個吸引勢場，機械臂在兩個勢場的作用下進行運動，從而實現(xiàn)避障規(guī)劃。

上述文獻的技術方案的缺點主要體現(xiàn)在：(1)計算量都很大，尤其是對于多自由度冗余機械臂，而由于空間輻照環(huán)境的影響，空間機械臂所選用的宇航級處理器計算性能較差，因此很難滿足上述方法實時計算的要求；(2)上述方法由于實現(xiàn)復雜因此導致實時性較差，主要用于離線避障規(guī)劃，很難實現(xiàn)在線避障規(guī)劃。

發(fā)明內容

本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種七自由度空間機械臂自主避障規(guī)劃方法，計算量小、易于工程實現(xiàn)，非常適合處理器計算能力不足的空間機械臂系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種七自由度空間機械臂自主避障規(guī)劃方法，包括如下步驟：

(1)在任務空間對七自由度空間機械臂的末端進行路徑規(guī)劃，得到末端的運動路徑點數(shù)據(jù)；

(2)依次選取末端的運動路徑點數(shù)據(jù)，固定任一冗余關節(jié)角度進行逆運動學計算，得到當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的其它關節(jié)的角度；

(3)對得到的當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的所有關節(jié)的角度進行碰撞檢測，通過對固定的關節(jié)角度進行自適應調整，使得當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的七自由度空間機械臂與障礙物不發(fā)生碰撞；

(4)重復上述過程，直至得到所有末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的七自由度空間機械臂的自主避障規(guī)劃。

所述的在任務空間對七自由度空間機械臂的末端進行路徑規(guī)劃，得到末端的運動路徑點數(shù)據(jù)的方法為：

(11)根據(jù)任務需求確定七自由度空間機械臂末端需要到達的目標位置、姿態(tài)；

(12)根據(jù)目標位置、姿態(tài)在任務空間對七自由度空間機械臂末端的運動進行路徑規(guī)劃，得到七自由度空間機械臂末端的N個運動路徑點數(shù)據(jù)Ei，i＝1,2，……，N，其中，N為正整數(shù)。

所述的依次選取末端的運動路徑點數(shù)據(jù)，固定任一冗余關節(jié)角度進行逆運動學計算，得到當前末端的運動路徑點數(shù)據(jù)對應的其它關節(jié)的角度的方法為：

(21)選取七自由度空間機械臂的7個關節(jié)中的任一冗余關節(jié)k，固定該關節(jié)的角度為θ_k，得到等效六自由度空間機械臂，其中，1≤k≤7，且k為整數(shù)，θ_k的初值為0；